革新LED光源設計 量子點螢光粉獲市場青睞
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| NPD DisplaySearch LED分析師佘慶威 |
隨著發光二極體(LED)光源已逐漸被社會大眾所接受，傳統的背光光源像冷陰極管(CCFL)，以及照明光源如日光燈或白熾燈泡，由於顏色、環保及耗電的問題早已被詬病許久，已開始逐漸退出市場舞台。在固態半導體照明出現後，背光及照明產業正出現重大改變，其改善原有光源的缺點，也改變了使用者的使用習慣，因為LED光源是屬於半導體光源的一種，所以在顏色和一些光電特性上和原有的光源不同，也因為這些特性的不同，造成了LED光源在設計上必須做一些改變，來配合和原有背光和照明的應用。
舉例來說，一個理想的LED光源會有三種特性；首先是發光效率好，即亮度高且不需要額外的散熱；其次是顏色適合各式應用，即光源的顏色不需要為了照明或背光的應用而去調整各式的應用；最後則是價格要便宜，由於燈源在整體系統中只占成本的10%，光源如果價格過高將無法加速市場商用化。
然而，所謂的理想光源並不存在於現實生活中，例如背光產業電視背光大多是使用色溫9,000K的光源，CIE色度座標為(X,Y 0.27,0.28)，而監視器背光大多是使用色溫6,500K的光源，CIE色度座標為(X,Y 0.33,0.32)，主要的原因是因為面板的彩色濾光片決定了光源的顏色，不同應用產品的面板使用的彩色濾光片也不會相同，而彩色濾光片的厚度及間隔是依據產品的畫素來決定，也因為更動彩色濾光片會牽涉到應用產品及面板製程的設計，且開光罩的費用也相對較高，換言之，面板廠較不會為了背光源的特性而更改彩色濾光片的製程，於是就有很多業者在研究如何找出一種可適合各種光源顏色特性的解決案。
兼具高演色性與廣色域 量子點螢光粉鋒頭健
首先要先了解顯示器廣色域對於光源的要求是紅、綠與藍色純度要高，也就是半高全寬(Full Width of Half Magnitude, FWHM)要窄，希望在CIE的圖線上將三角形所圍成的面積拉得越大越好，此種光源適合背光使用。
照明對於光源的要求，主要是要求連續光譜，符合黑體曲線，人類最佳的照明光源是太陽光，而最接近太陽光源的是鎢絲燈光源，因其也是自發熱產生連續光譜。但若從背光和照明應用所需求的光源特性來看，基本上是與太陽光背道而馳，因此若要符合背光的要求，色純度(Purity)越高的光源就不可能會有連續的光譜，這也就代表LED要應用在背光或是照明的產業中，無法使用同一種顏色的規格去應用在不同的產業，必須在顏色特性上做不同的調整，這也間接造成了產品多樣化，使得規格無法統一的問題。
這世界上是否有完美光源可同時適合高演色性(CRI)及廣色域呢？首先須先了解哪些光源或方法可以達到高演色性或廣色域。背光應用達到廣色域的方法通常有幾種做法，不過不外乎從背光源或是彩色濾光片著手；其中在背光源的部分，只要把色純度做得越好，則越適合背光廣色域應用，色純度用以輔助主波長之顏色描述，以百分比計，定義為待測件色度座標F1與白光點之色度座標W(0.33,0.33)之直線距離與白光點W座標至該待測件主波長D點之光譜軌跡色度座標距離的百分比，純度愈高，代表待測件的色度座標愈接近其該主波長的光譜色，所以像LED、雷射單色光之光源、有機發光二極體(OLED)或是量子點(Quantum Dot)螢光粉都可以達到廣色域的目標，不過考慮到價格和實際量產性的問題，現在業界卻是以LED激發螢光粉來達到廣色域的目標。
利用LED激發螢光粉達到廣色域的方式有很多種，例如使用紅、綠、藍光LED當成背光源，NTSC可達到100%，但是價格昂貴；使用藍光LED當成背光源，加上黃色螢光粉，NTSC約可達到70%，價格較便宜；使用藍光LED當成背光源，加上紅色螢光粉，NTSC約可達到85%，但紅色螢光粉的可靠度是一大問題；使用藍光LED當成背光源，加上紅色及綠色螢光粉，NTSC約可達到90~100%，但紅色螢光粉的可靠度一樣不夠高；使用藍光LED當成背光源，加上量子點螢光粉，NTSC則約可達到100%，但量子點螢光粉價格昂貴。
另一種方法是調整彩色濾光片的色阻厚度或是材料，但是這個部分相對於更換背光源來說相對困難，主要原因是面板廠在設計產品對應的彩色濾光片時，通常會先考慮到產品共用性，現在很多面板廠都將彩色濾光片的製程拉進面板廠裡生產，等於是面板製造時的一個製程，而LED光源大部分是向外界廠商購買，而且當面板尺寸越大的時候，彩色濾光片的光罩越貴，有些甚至可以達到千萬以上，所以在產品設計上會以光源來搭配現有面板加上彩色濾光片的色阻，
事實上，照明應所需要的光源特性和背光完全相反，因此照明應用希望盡量模擬太陽光，演色性要求要和太陽光相同。太陽光的光譜為一個連續性的光譜，其中包含了所有波長，傳統光源中最近似於太陽光的是鎢絲燈光源，鎢絲燈的發光原理是高溫所產生的熱輻射而產生可見光波長，所以和太陽光一樣是有著連續性的波長光譜。
搶攻顯示/照明應用商機 量子點螢光粉成關鍵利器
搶攻顯示/照明應用商機 量子點螢光粉成關鍵利器
然而，除了熱輻射外，還有什麼方法可達成LED光源具備高演色性？演色性的計算使用的色度座標為CIE1964 WUV色度座標，須求出標準樣品在待測光源照明下的色度座標，接著再對標準樣品與待測樣品進行色度點的運算，再計算兩色點的色差值。一般來說測試演色性須使用十四個標準演色性樣品，前八種是顏色較不鮮艷的中性色彩，用來測驗光源是否可以展現物體的一般色，而編號九到十二則分別是高飽和的紅、黃、綠、藍四種顏色，用來評量光源是否可顯示具鮮豔色彩的物體，第十三個標準色樣品是皮膚的顏色，而最後一個則是一般樹葉的顏色，最後取十四個計算演色性的平均值即為待測樣品的演色性。所以，若是要得到高演色性則必須具有這十四個波長的特性，也就是最好具有連續性的波長，且FWHM要寬。
現有的LED加上螢光粉因為技術成熟，且價格便宜，因此業界正大量使用，同時也是現今顯示器光源和照明光源的主流，但是量子點螢光粉同時也是各家廠商重點研究的方向，量子點螢光粉主要的材料是硒化鎘(CdSe)或是硫化鋅(ZnS)，原理是將螢光粉大小縮小到奈米(nm)等級，藉由控制不同的螢光粉粒徑大小來控制所激發的波長。
2012年Nanosys和3M合作提出了一個增加現有顯示器色域的方法，在現有的顯示器表面外加上一層量子點螢光粉膜，這樣的設計在成本上並沒有增加太多，但卻可以達到Wide Color Gamut(WCG)的效果。Nanosys將這種產品叫做Quantum Dot Enhancement Film(QDEF)，但是因為量子點螢光粉和PET材料混合射出成薄膜，仍然會被外界溫度和濕氣所影響，導致整體可靠度和效率不如預期，給人有叫好不叫座的感覺，無法達到實際產品量產水準。
接下來，索尼(Sony)在2013年美國消費性電子展(CES)中展出了新一代的顯示器，擁有4K×2K的高解析度，高反應速度及高色彩飽和度。索尼新一代顯示器也是使用量子點螢光粉技術，其結構是在一個扁平型的玻璃管中塗滿量子點螢光粉，光源仍是使用藍光LED光源，其中量子點螢光粉主要成分是硒化鎘，供應商為QD Vision；玻璃管供應商為隆達電子，由背光模組廠負責組裝，這樣的產品可達到廣色域的效果及成本的優勢，並避免原本量子點螢光粉對於環境濕度及溫度影響發光效率及壽命的不良因素。另外，因為玻璃管中抽真空，雖然增加了製程上的難度，但是對於可靠度可提升約50%，效能提升約10%，索尼這種55吋電視販售的價格約在3,000～3,500美元之間，屬於高階機種。圖1是使用量子點螢光粉的光源和螢光粉背光源的差距，可以看到若是相同NTSC下，使用量子點螢光粉的背光源發光效率是一般螢光粉的1.18倍。
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| 資料來源：3M(06/2013) 圖1 量子點螢光粉光源與螢光粉背光源效率的差距 |
在照明部分，量子點螢光粉同樣的也很容易達到高演色性的效果，只是因為量子點螢光粉的價格過高，到現在還沒有普及，不過只要可均勻的控制不同粒徑大小量子點螢光粉的分布，就有機會做到高演色性的理想光源。
LED加上量子點螢光粉有可能變成理想光源的一種。未來量子點螢光粉改善的重點有三大項，首先是結構改善，現有量子點螢光粉基本上為ZnO及GaO兩種，其轉換效率最好。第二是製程改善，目前既然不能改善量子點螢光粉的結構，那就利用製程來做改善，所以才會有將量子點螢光粉混入光學薄膜(Optical Film)中和封在玻璃燈管中的想法，這些想法主要是為了將量子點螢光粉遠離熱源及避免環境水氣和溫度影響，未來將量子點螢光粉結合燈具設計也是一種很好的想法。第三是節省用量，量子點螢光粉的價格非常昂貴，10公克約新台幣1萬元，基本上比黃金還貴，所以在製程改善上皆以節省用量為主。
綜觀所述，2013年會量子點螢光粉會因為各家廠商的研究，而逐漸由顯示器的背光源普及到照明光源的應用，藉此強化LED光源的演色性與廣色域，產業界亦相信此一技術會因持續改善而獲得市場普及，並擴大LED市場商機。
